Transformador para fábrica de pasta y papel: cómo dimensionar la distribución de media tensión para una línea de máquina de papel, por qué los armónicos de los VFD y el arranque de las refinadoras determinan la especificación, y cuándo el tipo seco supera al de aceite

La respuesta primero: la potencia de un transformador para una fábrica de pasta y papel se dimensiona a partir de la lista de cargas por área y del requisito de ride-through de la máquina de papel, no de un valor de referencia de kWh por tonelada. Lo que realmente decide la potencia son tres cosas que no tienen nada que ver con la demanda media: la corriente armónica que los accionamientos seccionales de la máquina de papel inyectan de vuelta al bus de 690 V, la corriente de arranque del motor del refinador más grande de la fábrica de pasta, y el hecho de que un hueco de tensión de 150 ms le cuesta a la fábrica una rotura de papel, mientras que un hueco de 300 ms le cuesta un reinicio. Por lo tanto, una especificación competente comienza con una lista de cargas por área de la fábrica, aplica factores de demanda y diversidad por área, aplica un derrateo al transformador según el espectro armónico medido, verifica el hueco de tensión en el arranque del motor más grande y solo entonces fija la impedancia que mantiene los aparellajes de 690 V y 11 kV dentro de sus valores nominales de falla.

Puntos clave

• Una máquina de papel moderna es un sistema de accionamiento antes que una carga: 80–150 accionamientos seccionales en un mismo bus de 690 V, la mayoría regenerativos, la mayoría con un front end de diodos o activo que determina el régimen armónico del transformador.
• Dimensione los transformadores de la máquina de papel a partir de la lista de cargas por área con un factor de demanda de 0,5–0,75, y luego aplique el derrateo por armónicos según IEEE C57.110 — un bus de 690 V con front ends de 6 pulsos pierde 13–20% de su capacidad de transformador antes de añadir cualquier margen.
• El motor individual más grande de una fábrica de pasta — un refinador TMP de 10–30 MW — establece la robustez mínima del bus. Un refinador de 12 MW arrancado directamente en línea sobre un transformador de 40 MVA al 8% hunde el bus de 11 kV un 12,5%; sobre uno de 25 MVA lo hunde un 18,7% y dispara todos los accionamientos del mismo tablero.
• Los transformadores secos de resina colada pertenecen al interior de la sala de máquinas, al área de preparación de pasta y a la planta de blanqueo; los transformadores sumergidos en aceite pertenecen al exterior a 33 kV y al elevador del generador. La decisión es carga de fuego y corrosión, no precio.
• Para una fábrica que opera 8.000 horas al año, 1 kW de pérdidas en vacío equivale a unos USD 7.300 de costo capitalizado a lo largo de 20 años a 0,08 USD/kWh — más que la diferencia de precio entre clases de eficiencia en una unidad de 4 MVA.

¿Por qué una fábrica de papel es un problema eléctrico antes que un problema de transformadores?

Una fábrica de papel integrada no es una sola carga con un solo factor de carga. Son ocho o nueve áreas de proceso con comportamientos eléctricos completamente distintos, distribuidas a lo largo de 1–2 km del emplazamiento y conectadas a una única interconexión de 132 kV o 110 kV. El parque de madera arranca y para transportadores todo el día. El digestor opera bombas continuas a una carga plana del 90%. La planta de blanqueo tiene docenas de pequeños accionamientos en una atmósfera de dióxido de cloro. Los refinadores de preparación de pasta consumen 20–40 MW y arrancan quizás dos veces al día. La máquina de papel funciona 24 horas con una disponibilidad del 95% y con un perfil de carga tan plano que su factor de demanda parece una constante. La caldera de recuperación y el turbogenerador convierten al emplazamiento en productor de energía durante parte del año.

Cada una de esas áreas tiene su propio transformador, su propio nivel de falla y su propia razón para fallar. Por eso la unidad útil de especificación en una fábrica es la subestación de área, no el total de la planta. Un número de kVA a nivel de toda la fábrica no le dice nada sobre si el bus de 690 V sobrevivirá a un escalón de carga de la cuchilla de recubrimiento o si el tablero de 11 kV aguantará cuando arranque el refinador.

De esta tabla se derivan dos consecuencias. En primer lugar, la capacidad total de transformación de la fábrica suele ser de 1,4 a 1,8 veces su demanda máxima, porque las áreas no alcanzan su pico simultáneamente y porque cada área necesita una ruta de mantenimiento que no detenga la máquina. En segundo lugar, la población de transformadores es mixta: una fábrica de 700 t/d tendrá entre 25 y 40 transformadores de más de 1 MVA, y los que provocan paradas casi nunca son los más grandes.

¿Cuánta carga conectada soporta realmente una línea de máquina de papel de 700 t/d?

Tomemos una máquina de papel fino estucado con un ancho de corte de 8,4 m, una velocidad de diseño de 1.500 m/min y una producción de 700 t/d, es decir, 29,2 t/h. La máquina en sí — no la fábrica de pasta que la precede — soporta unos 17 MW de carga conectada. La lista de cargas que figura a continuación es el tipo de lista que debería adjuntarse a la consulta de transformadores; si un proveedor cotiza un transformador para máquina de papel sin ella, la cifra es una suposición.

Con un factor de potencia de desplazamiento de 0,96, la demanda es de 10,9 MVA. Ese es el número en el que la mayoría se detiene, y es el número equivocado. El transformador que alimenta esta barra ve una corriente distorsionada, no sinusoidal, por lo que su capacidad utilizable es inferior a la de su placa de características: la aritmética de la sección de armónicos que aparece a continuación eleva los 10,9 MVA hasta 12,8 MVA. Cuatro unidades de 4 MVA quedan entonces al 80% de carga cada una, que es la carga para la que debería diseñarse un transformador de máquina de papel: lo suficientemente alta como para justificar el activo, lo suficientemente baja como para absorber una ampliación de sección o una modernización de accionamientos sin necesidad de un nuevo transformador. Que el 80% sea una carga continua segura para un diseño específico depende de la elevación del punto caliente y del ciclo de carga diario, que es el tema de la guía de factor de carga y sobrecarga.

Nota sobre las unidades: la barra de la máquina de papel suele especificarse a 690 V, no a 400 V. A 690 V, un transformador de 4 MVA entrega 3.347 A, lo que está dentro del rango de los aparellajes de maniobra estándar de 690 V. A 400 V, los mismos 4 MVA necesitarían 5.774 A, lo que obliga a cables en paralelo, aparellajes en paralelo y una corriente de falta mucho mayor en el MCC. Esa única elección — 690 V frente a 400 V — es la decisión de tensión más trascendente en una máquina de papel, y normalmente la toma el proveedor de accionamientos antes de que se hable del transformador.

¿Qué arquitectura de tensión debería utilizar una fábrica de papel?

La mayoría de las fábricas acaban adoptando cuatro niveles, con las cifras exactas fijadas por la compañía eléctrica local más que por preferencia. En Europa y gran parte de Asia la cadena es 132 o 110 kV de entrada, 33 o 35 kV en el recinto, 11 o 10 kV a los motores grandes y subestaciones de área, 690 V a los sistemas de accionamiento y 400 V a iluminación y pequeña potencia. En Norteamérica la misma arquitectura aparece como 138/115 kV, 34,5/13,8 kV, 4,16 kV y 480 V.

El nivel de tensión no es una elección libre: el anillo de 33 kV existe porque la fábrica es físicamente extensa y los cables de 11 kV hasta el extremo del recinto no serían económicos a 20 MW. El nivel de 11 kV existe porque los motores de 8–30 MW no se fabrican a 690 V. El nivel de 690 V existe porque las potencias de los accionamientos disminuyen por encima de aproximadamente 2 MW y porque la máquina de papel necesita cientos de accionamientos pequeños en una barra común. Cada nivel tiene un transformador entre él y el siguiente, y cada uno de esos transformadores tiene una función distinta: las unidades de 132/33 kV soportan el recinto, las unidades de 33/11 kV soportan la corriente de arranque, las unidades de 33/0,69 kV soportan los armónicos. El mismo razonamiento, aplicado individualmente a las opciones de 6, 10, 11, 20 y 33 kV, se expone en la guía de selección de clase de tensión.

¿Por qué es la barra de accionamientos de 690 V el verdadero centro de una máquina de papel moderna?

Una máquina de papel es una banda continua que circula a 1.500–2.000 m/min a través de una secuencia de pinzas: caja de entrada, tela, prensa, secado, prensa encoladora, calandra, bobinadora. La banda no puede tolerar una desincronización de velocidad entre secciones, por lo que cada sección es accionada por su propio motor bajo control de tensión o velocidad en bucle cerrado. Una máquina moderna tiene 80–150 secciones de este tipo, desde 5 kW para un rodillo de retorno de tela hasta 400–600 kW para el tambor de bobinado.

Esa arquitectura produce una carga con propiedades para las que no se diseñó un transformador de distribución convencional: factor de potencia de desplazamiento cercano a la unidad, un alto contenido de armónicos procedente de las etapas de entrada de los rectificadores y — en desbobinadoras, bobinadoras y calandras — un flujo de potencia inverso sostenido cuando el accionamiento desacelera o mantiene la tensión. El transformador de esa barra no es, por tanto, un dispositivo pasivo de kVA. Forma parte del sistema de accionamiento, y su impedancia, su capacidad frente a armónicos y su constante de tiempo térmica se manifiestan en el comportamiento de la máquina.

El bus de CC común es lo que cambió la aritmética. Cuando 40 secciones comparten un bus de CC, la energía liberada por una sección de secado que desacelera alimenta a una sección que acelera, y solo la diferencia neta vuelve al lado de CA. Eso reduce el número de resistencias de frenado, reduce el ciclado térmico del transformador y hace que la unidad de alimentación AFE — típicamente de 2–4 MW — sea el único rectificador que el transformador realmente ve. El problema armónico no desaparece, se concentra: en lugar de 100 rectificadores de 6 pulsos distribuidos, se tienen dos o tres unidades AFE grandes, y el transformador se dimensiona en torno a ellas.

¿Cómo se dimensiona el transformador detrás de un bus de variadores de una máquina de papel de 690 V?

El cálculo tiene cuatro pasos y cada uno puede cambiar el resultado. Usando la lista de cargas anterior:

• Paso 1 — kVA de demanda: 10,475 kW ÷ 0.96 = 10.9 MVA. Esto supone que los variadores corrigen el factor de potencia de desplazamiento hasta cerca de la unidad, lo que hacen los variadores AFE.
• Paso 2 — reducción por armónicos: si el bus tiene etapas frontales de 6 pulsos con THDi del 35%, la reducción según IEEE C57.110 con factor K de 4.7 permite el 85% de la placa de características, por lo que la placa requerida es 10.9 ÷ 0.85 = 12.8 MVA. Con variadores AFE con THDi del 4% la reducción es despreciable y el requisito se mantiene en 11.0 MVA.
• Paso 3 — potencia nominal estándar y división: 12.8 MVA se redondea a 4 × 4 MVA en dos secciones de bus, parte húmeda y parte seca, con un enlace de bus normalmente abierto. Cuatro unidades en lugar de dos significa que el fallo de un solo transformador deja fuera de servicio media máquina, no la máquina.
• Paso 4 — verificaciones: la regulación de tensión en los bornes del variador debe mantenerse dentro de ±10% de 690 V en régimen permanente y por encima del disparo por subtensión del variador durante la aceleración de una sección; la corriente de cortocircuito en los bornes de 690 V debe mantenerse dentro de la capacidad nominal del aparellaje.

El paso 3 es donde las máquinas de papel se diferencian de la distribución general. Un transformador de 4 MVA, 690 V con impedancia del 8% tiene una capacidad de cortocircuito en sus bornes de 50 MVA, que son 41.8 kA — dentro de la capacidad nominal de un aparellaje de 50 kA pero no de uno de 40 kA. Reducir la impedancia al 6% eleva eso a 55.8 kA y obliga a un aparellaje de 65 kA. En sentido contrario, al 10%, reduce la corriente de fallo a 33.4 kA pero añade 1.5–2% a la caída de tensión en los bornes del variador a plena carga y hace que el AFE trabaje más para mantener el bus de CC. En un bus de 690 V, el 6–8% es la ventana práctica y el 8% es el valor predeterminado seguro. Si se necesita la corriente de fallo en el MCC en lugar de en los bornes del transformador, el método de tres pasos del cálculo de corriente de cortocircuito incluye los términos de contribución del cable y del motor.

Las cifras de caída de tensión son la regulación propia del transformador a corriente nominal, calculadas a partir de la impedancia y la relación X/R; excluyen la caída en el cable y la impedancia aguas arriba. En un bus real de 690 V, la caída en el cable desde el transformador hasta el MCC puede añadir otro 1.5–2.5% en tendidos largos, por lo que el transformador suele colocarse a menos de 50 m de la línea de variadores.

¿Por qué los armónicos de los VFD cuestan más capacidad de transformador de lo que sugiere la lista de cargas?

Un transformador de 4 MVA a 50 Hz con una carga sinusoidal está nominalmente dimensionado para 4 MVA a 50 Hz con una carga sinusoidal. Si se conecta un rectificador de 6 pulsos en su secundario, los mismos 4 MVA de potencia aparente contienen ahora un 35% de corriente armónica, y esos armónicos producen dos efectos que la fundamental no genera: aumentan la corriente eficaz para la misma potencia activa y se concentran en los devanados por efecto pelicular y de proximidad, de modo que la pérdida por corrientes de Foucault crece aproximadamente con el cuadrado del orden armónico. La norma IEEE C57.110 existe precisamente porque el segundo efecto no queda recogido por el primero. El mecanismo, y las cinco formas de reducir la corriente armónica en la fuente en lugar de en el transformador, se tratan en la guía de armónicos en transformadores.

La reducción de capacidad se calcula a partir del espectro armónico, no a partir de una regla empírica:

I_max (pu) = √[ (1 + P_EC-R) / (1 + K · P_EC-R) ]

donde P_EC-R es la fracción de pérdidas por corrientes de Foucault respecto a las pérdidas totales de carga a corriente nominal (típicamente 0,10–0,15 para un transformador de distribución) y K es el factor de pérdidas armónicas, K = Σ(h² · I_h²) / Σ(I_h²). El factor K está dominado por los armónicos de bajo orden debido a la ponderación h²: el 5.º armónico contribuye 25 veces más por unidad que la fundamental, por lo que un espectro con un 30% de quinto armónico produce K ≈ 4,7 en lugar del K ≈ 1,2 que sugeriría una lectura ingenua de la THD.

Se derivan dos conclusiones prácticas. En primer lugar, un transformador con clasificación K no proporciona más capacidad: proporciona un transformador que soporta el factor K que realmente se tiene, con un neutro y un diseño de devanado que no se sobrecalentarán. La capacidad sigue tomándose de la placa de características. En segundo lugar, la forma más económica de recuperar el 13–19% perdido es especificar variadores AFE en la máquina de papel desde el principio: la reducción de capacidad desaparece, la regeneración resulta gratuita y la barra de 33 kV deja de necesitar una batería de filtros desintonizados. Compárese eso con el precio de subir un tamaño de transformador en cada sección de la máquina antes de decidir que los variadores de 6 pulsos son la opción económica. El marco de decisión entre clasificación K y sobredimensionamiento se expone en la guía de selección de transformadores con factor K.

¿Cuál es el mayor evento de arranque de motor en una fábrica de pasta de papel — y cuánta caída de tensión provoca?

No es la máquina de papel, que arranca con variadores y rampas. Es el refinador. Una línea de pasta termomecánica tiene dos o tres refinadores, cada uno accionado por un motor síncrono o de inducción de 10–30 MW a 11 kV, y cada arranque es un evento del sistema: el motor absorbe de 5 a 6 veces su corriente nominal durante 10–40 segundos mientras los discos de refinado alcanzan su velocidad contra una carga de astillas.

Realicemos los cálculos para un motor de refinador de 12 MW, 11 kV, 0,96 de rendimiento, 0,95 de factor de potencia, corriente de rotor bloqueado 5,5 veces la nominal:

• Potencia aparente nominal del motor = 12.000 ÷ (0,96 × 0,95) = 13,2 MVA
• Potencia aparente de arranque = 5,5 × 13,2 = 72,4 MVA
• A 11 kV, eso supone una impedancia de arranque de 11² ÷ 72,4 = 1,67 Ω con un factor de potencia de arranque de aproximadamente 0,25

La caída en la barra de 11 kV depende entonces casi por completo de la potencia de la fuente. En un transformador de 40 MVA con 8% de impedancia, la impedancia de la fuente es de 0,242 Ω y la barra cae al 87,5% de su valor nominal — una caída del 12,5%. En un transformador de 25 MVA, el mismo arranque produce un 18,7%, y en un transformador de 63 MVA, un 8,3%.

La regla de diseño que aplican la mayoría de las fábricas es un límite de caída del 10% en el cuadro de 11 kV y del 15% en los bornes del motor, porque los contactores se desexcitan en torno al 70–75% y los variadores disparan por sus propios ajustes de subtensión en algún punto entre el 80% y el 85%. Por lo tanto, una caída del 12,5% en un cuadro de 40 MVA no es un caso marginal — está por encima del límite y hará disparar todos los contactores de la misma sección que no estén en un circuito de control respaldado por UPS. Ese es el momento en que la fábrica descubre que el arranque del refino y la máquina de papel comparten una sección de barra.

El factor de potencia de arranque importa más de lo que suponen la mayoría de los estudios de flujo de carga. Con un factor de potencia de arranque de 0,25, casi toda la impedancia de arranque del motor es reactiva, por lo que la caída es un problema de X/R más que de R, y añadir longitud de cable al refino lo empeora ligeramente en lugar de mejorarlo. Por eso un refino alimentado desde una subestación de 11 kV distante puede presentar una caída mayor que el mismo refino alimentado desde el cuadro de al lado, aunque ambos estén en el mismo transformador.

¿Cómo determina el arranque del refino la impedancia del transformador?

Aquí los requisitos tiran en direcciones opuestas. Una impedancia mayor limita la corriente de falta en el cuadro de 11 kV y permite mantener aparamenta más económica; también aumenta la caída durante un arranque del refino, incrementa las pérdidas en carga del transformador y empeora la regulación de tensión en toda la zona. La tabla siguiente mantiene el transformador en 20 MVA y varía la impedancia para el mismo arranque directo a la red de 12 MW.

Léase la tabla en sentido inverso y el diseño queda claro: la impedancia no es la herramienta que se utiliza para hacer aceptable un arranque del refino. Incluso al 6% la caída es del 17,7%, porque la propia impedancia de arranque del motor domina. La herramienta que corrige un arranque del refino es el método de arranque — un VFD, un LCI o un motor auxiliar — y una vez que el arranque está limitado en corriente al 110%, la impedancia del transformador puede elegirse únicamente en función de la corriente de falta y de la regulación. Las fábricas que intentan resolver un arranque del refino con un transformador más grande acaban comprando 63 MVA para servir 20 MW de carga, lo que es una forma cara de evitar un variador.

¿Por qué una caída de tensión de 100 ms rompe el papel — y cuánto cuesta una rotura?

Una máquina de papel no tiene inercia en la hoja. La hoja se mantiene en tensión entre secciones, y si una sección pierde par durante 100 ms mientras sus vecinas siguen girando, el transitorio de tensión o bien rompe la hoja o bien produce una zona más gruesa y más débil que se rompe en el siguiente nip. Los propios accionamientos suelen sobrevivir a una caída; la hoja no. La secuencia es: caída, una o dos secciones disparan por subtensión o sobrecorriente, la hoja se rompe, el rechazo llena la despulpadora y el equipo pasa de 15 a 45 minutos reenhebrando desde la caja de entrada hasta la bobina.

El coste de una rotura no es la electricidad. En una máquina de 700 t/d que produce papel fino estucado, una rotura cuesta de 3 a 5 horas de producción, incluido el reenhebrado y la gestión del papel de desecho, lo que a 29 t/h y un margen de contribución de USD 300–600 por tonelada supone USD 26.000–87.000 por evento, más el valor del papel de desecho y la interrupción de la programación posterior. Las fábricas con 10–30 roturas al año invierten por tanto dinero real en la continuidad de funcionamiento, y la especificación del transformador forma parte de esa inversión: un transformador con menor impedancia y un bus más rígido da más margen a los variadores, y una fábrica con un esquema de transferencia rápida de bus puede trasladar la máquina a la acometida sana en 200–300 ms en lugar de perder la hoja.

Sumergido en aceite o de tipo seco — ¿dónde corresponde cada uno en una fábrica de papel?

En una fábrica, la elección viene determinada por la ubicación, no por la preferencia. Los transformadores de tipo seco de resina fundida son la opción por defecto en el interior de edificios porque no tienen aceite que arder, ni cubeto, ni muro cortafuegos, ni nitrógeno o conservador que mantener. Los transformadores sumergidos en aceite son la opción por defecto en el exterior a 33 kV y superiores porque son más económicos por MVA, más eficientes y mejores para disipar el calor en un clima cálido.

A menudo se pasan por alto dos puntos específicos de las fábricas. En primer lugar, un transformador de resina fundida en una sala de máquina de papel funciona en un ambiente de 40–45 °C con polvo de papel depositándose en los devanados, por lo que su potencia debe corregirse por temperatura ambiente y su envolvente debe diseñarse para que el polvo no puentee el aislamiento — IP54 con una vía de ventilación filtrada, no IP21. En segundo lugar, la estrategia contra incendios debe decidirse antes de pedir el transformador: la Hoja de Datos 5-4 de FM Global y el asegurador local fijarán las distancias de separación y las resistencias al fuego para las unidades llenas de aceite, y adaptar un muro cortafuegos alrededor de un transformador ya instalado es mucho más caro que elegir el tipo seco desde el principio.

¿Qué hacen la planta de blanqueo, la parte húmeda y la sala de máquinas a la especificación?

Las fábricas de papel son húmedas, cálidas y corrosivas de una manera que la industria general no lo es. Cuatro entornos determinan la especificación:

• Planta de blanqueo: atmósferas de dióxido de cloro y cloro a 40–50 °C con alta humedad. Las envolventes de acero al carbono se corroen en 3–5 años. Especifique recubrimiento ISO 12944 C5-M, herrajes de acero inoxidable 316, devanados de resina fundida sellados, IP55 y un margen de corrosión en la envolvente en lugar de un sistema de pintura únicamente.
• Nave de la máquina de papel: ambiente de 40–45 °C, 80–90% de humedad relativa en la zona húmeda, polvo de papel por todas partes. Aplique reducción de potencia para ambientes superiores a 40 °C, especifique calentadores anticondensación que se activen cuando el transformador esté apagado y ubique la unidad de modo que el agua de limpieza no pueda escurrir sobre la envolvente.
• Preparación de pasta: vibración de refinadores y tamices, además de vapor y salpicaduras de pasta. Especifique arriostramiento sísmico o antivibración dimensionado para la cimentación del refinador, conexiones de bus flexibles y un transformador ubicado fuera de la zona de salpicaduras.
• Efluentes y tratamiento de agua: a la intemperie, sulfuro de hidrógeno en la atmósfera del alcantarillado y bombas que arrancan con frecuencia. Unidades sumergidas en aceite con recubrimiento C4/C5, cajas de cables selladas y una ruta de acceso para mantenimiento que no requiera parar la planta.

La corrección por temperatura ambiente no es un error de redondeo. Un transformador de resina fundida de 4 MVA nominal a 40 °C de ambiente pierde aproximadamente 5–8% de su capacidad a 45 °C, y una unidad sumergida en aceite de 33 kV pierde alrededor de 1% por kelvin por encima de su ambiente nominal. En una fábrica donde la nave de la máquina está a 45 °C durante seis meses al año, esa corrección debe estar en la consulta, no descubrirse en la puesta en marcha. Lo mismo se aplica a la altitud, que es relevante para fábricas en ubicaciones de altura; el método de corrección es el que se utiliza para cualquier transformador de distribución, y conviene verificar la curva de reducción de potencia antes de fijar la potencia nominal. La relación entre etapa de refrigeración, elevación de temperatura y carga admisible se trata en la guía de métodos de refrigeración y elevación de temperatura.

¿Cómo debe configurarse la fábrica para garantizar la fiabilidad?

Una fábrica de papel opera 350 días al año y pierde USD 30.000–90.000 por cada parada no planificada, por lo que la cuestión de la redundancia es económica más que filosófica. Las cuatro configuraciones siguientes cubren casi todas las fábricas; la elección suele hacerse por área, no para todo el sitio.

Para la máquina de papel en concreto, el patrón que funciona es cuatro transformadores en dos secciones con un enlace normalmente abierto y un esquema de transferencia rápida: cada par lleva la mitad de la máquina al 80% de carga, y ante la pérdida de una unidad el enlace se cierra y la máquina continúa a velocidad reducida con la recubridora y una bobinadora desconectadas. Es un compromiso deliberado — un 2 × 100% completo en un bus de máquina de 16 MVA es difícil de justificar, mientras que un radial simple es indefendible.

Un detalle de fiabilidad es fácil de pasar por alto tras una parada. Cuando se reenergiza la fábrica, todos los transformadores del tablero absorben su corriente de magnetización (inrush) en el mismo momento, y una unidad de 4 MVA puede demandar 8–12 veces la corriente nominal durante 100–200 ms. Si los accionamientos de la máquina de papel ya están habilitados cuando cierra el interruptor de entrada, la caída de tensión por el inrush es suficiente para dispararlos. La solución es una secuencia de energización escalonada — primero los transformadores, los accionamientos habilitados 2–3 s después, las secciones aceleradas en orden — y la física detrás de la corriente se explica en la guía de corriente de magnetización (inrush) del transformador.

¿Por qué una fábrica de papel necesita un transformador elevador además de uno reductor?

La mayoría de las fábricas integradas generan una gran parte de su propia energía. Una caldera de recuperación más una caldera de biomasa más una turbina de extracción-condensación normalmente proporcionan 30–60 MW a 11 kV, y la fábrica vende el excedente a la red en algunos mercados e importa por la noche en otros. Eso requiere un transformador elevador de generador a 11/132 kV o 11/110 kV, dimensionado para la potencia nominal de la turbina con un margen de sobrecarga, y cambia la filosofía de protección y medición de toda la planta.

Tres consecuencias para la especificación del transformador:

• Flujo de potencia inverso: los transformadores de 33 kV y 132 kV de la fábrica deben especificarse para potencia bidireccional, con relés direccionales de sobrecorriente y de potencia inversa, y con rangos de toma que funcionen en ambas direcciones. Un transformador especificado solo para importación tendrá un rango de OLTC que se quedará sin tomas cuando la fábrica exporte al 105% de tensión.
• Flujo de armónicos hacia la red: cuando la fábrica exporta, los armónicos de los variadores de la máquina de papel fluyen a través del transformador elevador hasta el punto de conexión de la compañía eléctrica. Los límites de IEEE 519 se aplican en ese punto, no en la barra de 690 V, y la compañía eléctrica los medirá. Esta es la razón por la que una fábrica que cumple en su propio cuadro de 11 kV puede aun así recibir una queja por calidad de potencia del operador de la red.
• Operación en isla: si se pierde el suministro de la compañía eléctrica, la fábrica puede funcionar en isla con su propia generación. El transformador elevador entonces soporta toda la carga de la fábrica con un nivel de cortocircuito muy diferente y sin inercia de red detrás, y el esquema de deslastre de carga debe diseñarse para ese caso en lugar de para el caso conectado a la red.

¿Cómo es la capitalización de pérdidas para una fábrica que opera 8.000 horas al año?

Un transformador de fábrica de papel funciona de forma continua, por lo que sus pérdidas son un costo de capital, no un detalle operativo. Capitalícelas a 8.000 horas al año, 0,08 USD/kWh, 20 años y una tasa de descuento del 6%, y el factor de anualidad es 11,47. Un kilovatio de pérdidas en vacío vale entonces 8.000 × 0,08 × 11,47 = USD 7.341, y un kilovatio de pérdidas en carga con un factor de carga del 70% vale 8.000 × 0,49 × 0,08 × 11,47 = USD 3.597.

Aplíquelo a una unidad de 4 MVA con 3,2 kW de pérdidas en vacío y 32 kW de pérdidas en carga: 151.040 kWh al año, USD 12.083 al año, USD 138.593 durante la vida útil de 20 años. Ese es el número con el que comparar la diferencia de precio entre una unidad de grado S13 y una S20, o entre un diseño estándar y uno de bajas pérdidas. En la mayoría de los casos la unidad de bajas pérdidas gana en un ciclo de servicio de fábrica y pierde en un ciclo de servicio de 2.000 horas, por lo que el mismo transformador puede ser la elección correcta para una fábrica de papel y la incorrecta para una obra de construcción. El método completo, incluido cómo manejar el crecimiento de la carga y cómo tratar el costo capitalizado junto con el precio de compra, se expone en el cálculo del costo total de propiedad.

¿Qué debe incluir la RFQ para un paquete de transformadores de fábrica de papel?

Una consulta de fábrica de papel falla de una de dos maneras: el proveedor cotiza un transformador de distribución estándar y los armónicos, el régimen de arranque o el entorno de corrosión se descubren más tarde; o la consulta es tan abierta que cada oferta es para un producto diferente. La lista de datos a continuación cierra ambas brechas. También es la lista con la que comparar las ofertas, porque una cotización que no puede responder a los puntos 5, 6 y 9 no es una cotización para esta aplicación.

El punto 13 merece su propio estudio. Una unidad de 40 MVA, 132/33 kV pesa 60–80 t con aceite y requiere un estudio de ruta para los límites de puentes, líneas aéreas y radios de giro antes de realizar el pedido; una unidad de resina fundida de 4 MVA para la sala de máquinas puede tener que pasar por una puerta de 2,5 m e izarse a su posición antes de cerrar el techo. Las restricciones de transporte e instalación, incluido el envío de aceite con colchón de nitrógeno y los límites de inclinación durante la manipulación, se detallan en la guía de transporte e instalación.

Preguntas frecuentes

¿Puede un solo transformador de 33/0,69 kV alimentar toda la máquina de papel?

Técnicamente sí, en la práctica no. Una sola unidad de 16 MVA a 690 V necesitaría 13.400 A de barraje, pondría toda la máquina detrás de una única falla y concentraría la corriente armónica de cada variador en un solo devanado. Cuatro unidades de 4 MVA en dos secciones cuestan más en aparamenta pero menos en producción perdida, y permiten retirar una unidad para mantenimiento sin detener la máquina.

¿Sigo necesitando un transformador con clasificación K si todos mis variadores son AFE?

No, y pagar por uno es un desperdicio habitual. Los variadores AFE con filtros LCL producen un THDi del 3–5%, lo que corresponde a un factor K cercano a 1. Un transformador estándar con un neutro correctamente dimensionado es suficiente. La clasificación K cobra relevancia cuando quedan variadores de 6 pulsos en la barra — típicamente en una modernización donde parte de la máquina se actualizó y parte no.

¿Qué impedancia debo especificar para un transformador que alimenta refinadores?

Elíjala primero por corriente de falla y regulación, luego verifica el arranque. En un transformador de 11 kV, 20 MVA, el 8% mantiene la corriente de falla en 13,1 kA y es compatible con aparamenta de 16 kA; pasar al 10% ahorra un marco de aparamenta pero añade un 4% a la caída de tensión en un arranque directo del refinador, lo cual es un mal intercambio. Si el refinador arranca directamente en línea y la caída supera el 10%, la solución es un VFD o un arrancador suave, no un transformador diferente.

¿Se puede instalar un transformador de fábrica de papel en interiores?

Sí, y la mayoría de los transformadores de máquina de 690 V lo están. Las unidades secas de resina fundida están diseñadas para instalación en interiores, no necesitan cubeto ni muro cortafuego, y están disponibles con envolventes IP54 para zonas polvorientas y húmedas. Las restricciones son la temperatura ambiente, la ventilación y la gestión del polvo, no la tecnología del transformador en sí. Las unidades sumergidas en aceite de más de 20 MVA en interiores requieren una celda con resistencia al fuego, un cubeto y normalmente un sistema de diluvio, por lo que se colocan habitualmente en exteriores o en un edificio de subestación dedicado.

Fuentes / 资料来源

Fuente: IEC 60076-1 — Transformadores de potencia, requisitos generales.
Fuente: IEC 60076-2 — Elevación de temperatura para transformadores sumergidos en líquido.
Fuente: IEC 60076-11 — Transformadores de potencia de tipo seco.
Fuente: IEC 60038 — Tensiones estándar, incluido el nivel de 690 V.
Fuente: IEC 60034-12 — Comportamiento de arranque de motores de inducción trifásicos de jaula de una sola velocidad.
Fuente: IEEE C57.110-2018 — Determinación de la capacidad del transformador cuando alimenta corrientes de carga no sinusoidales.
Fuente: IEEE 519-2014 — Control de armónicos en sistemas de energía eléctrica.
Fuente: IEEE C57.12.00 — Requisitos generales para transformadores de distribución, potencia y regulación sumergidos en líquido.
Fuente: GB/T 6451-2015 — Parámetros técnicos y requisitos para transformadores de potencia trifásicos sumergidos en aceite.
Fuente: GB 20052-2020 — Valores mínimos admisibles de eficiencia energética y grados de eficiencia energética para transformadores de potencia.
Fuente: GB/T 1094.1-2013 — Transformadores de potencia, generalidades.
Fuente: Reglamento (UE) n.º 548/2014 de la Comisión — Requisitos de diseño ecológico para transformadores de potencia pequeños, medianos y grandes, Nivel 2 a partir del 1 de julio de 2021.
Fuente: Departamento de Energía de EE. UU., 10 CFR Parte 431 Subparte K — Estándares de conservación de energía para transformadores de distribución.
Fuente: ISO 12944-2 — Categorías de corrosividad para estructuras de acero, categoría C5-M para atmósferas costeras e industriales.
Fuente: NFPA 70 (Código Eléctrico Nacional) Artículo 450 — Transformadores y bóvedas de transformadores.
Fuente: NFPA 13 — Instalación de sistemas de rociadores, para el contexto de carga de incendio de la planta.
Fuente: FM Global Data Sheet 5-4 — Transformadores, requisitos de la aseguradora para separación y protección contra incendios.
Fuente: IEC 60079-10-1 — Clasificación de áreas peligrosas, aplicable donde se utilizan cocinas de recubrimiento con base de disolvente.
Fuente: Experiencia de ingeniería de QDTB — listas de carga por área de plantas papeleras, dimensionamiento de buses de accionamiento seccional de 690 V, estudios de arranque de refinadores y práctica de reducción de potencia por armónicos. Los valores marcados como experiencia del sector son rangos típicos de proyectos de plantas, no estándares publicados.

Si está preparando una consulta para una subestación de máquina de papel o planta de pasta, la vía más rápida para obtener una oferta comparable es enviar juntos la lista de carga por área, el diagrama unifilar, el programa de accionamientos con los tipos de front-end y los datos de arranque del motor más grande. Nuestro equipo de ingeniería puede convertir eso en una especificación de transformador dimensionado, un cálculo de reducción de potencia por armónicos y un presupuesto indicativo en una sola pasada. También puede comenzar desde las calculadoras de sistemas de potencia para verificar el nivel de falla, la caída de tensión y la capitalización de pérdidas antes de contactar a cualquier proveedor — y si la pregunta es qué tipo de transformador corresponde a cada aplicación, la comparación entre transformadores sumergidos en aceite y de tipo seco cubre la decisión con más detalle.